Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Автор:
kaa
Печать
дата:
31 января 2016 12:06
Просмотров:
1412
Комментариев:
1
Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая


В первой части беседы о квантовой механике говорилось о возникновении и становлении этой области физики, прежде всего на основе работ Гейзенберга, Шредингера, Борна, Бора. Новая теория была призвана решить противоречия, возникающие при попытке классической теории объяснить процессы, происходящие на атомном уровне. Ученые, принимавшие непосредственное участие в разработке квантовой теории, были уверены в том, что им это удалось. Но, как обычно, рождение любой физической теории не проходит гладко, нужно доказывать ее правильность и последовательность перед научным сообществом... Кому-то вторая часть может показаться непонятной или неинтересной (или я так преподнес), но, тем не менее - это продолжение развития идей квантовой теории, и не написать об этом было бы неправильным.

В случае с квантовой теорией, ожесточенные споры поначалу имели внутренний характер. После того, как Шредингер сформулировал основные принципы своей волновой механики, ее усиленно принялись критиковать Бор и Гейзенберг. В ходе совместных дискуссий они яростно доказывали превосходство статистической интерпретации квантовой теории, при этом не желая принимать позицию Шредингера, согласно которой единственной реальностью в микромире являются волны. В итоге они, по сути, добились того, что отчаявшийся Шредингер уже готов был согласиться с точкой зрения копенгагенцев. Кроме того, впоследствии и де Бройль признал, что в рамках волновой механики только вероятностная интерпретация объясняет все квантовые явления, наблюдающиеся экспериментально.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Нильс Бор


Далее, после того, как Гейзенберг вывел соотношения неопределенности, а Бор сформулировал принцип дополнительности, между этими двумя учеными завязалась дискуссия, спровоцированная, собственно, самим Бором. Бор считал, что его принцип дополнительности хорошо объясняет природу корпускулярно-волнового дуализма (КВД), говоря о том, что для описания квантовой реальности нужны и частицы, и волны - это дополняющие друг друга проявления одного и того же процесса, но тем не менее - взаимоисключающие, т.е. одновременно проявляться не могут в рамках одного и того же эксперимента (о сути принципа говорилось в первой части, не будем повторяться). Развивая свои идеи, Бор понял, что эти самые идеи подтверждаются в соотношениях неопределенности Гейзенберга. Что это означает? Каждое уравнение КВД содержит величину, характеризующую частицу, и величину, характеризующую волну (например, энергия связана с частотой волны, а импульс связан с длиной волны). Бор заявлял, что аналогично можно сказать и о соотношениях неопределенности, которые, по его мнению, показывают - до какой степени две дополняющих друг друга величины (например, импульс и положение) могут использоваться одновременно. Т.е., как показал Бор, принцип неопределенности является следствием КВД. Этого Гейзенберг не учел, а Бор пытался ему объяснить связь принципа дополнительности с принципом неопределенности. Ну и было расхождение, которое, впрочем, в ходе дискуссий удалось устранить, связанное с процессом наблюдения. Если Гейзенберг считал, что процесс наблюдения за одним параметром (например, положение частицы) является источником возмущения, запрещающего возможность точного измерения другого параметра (соответственно импульс частицы), то Бор, основываясь на своем принципе дополнительности, заявлял, что источником возмущения является не процесс наблюдения - возмущение связано с тем, какой прибор использует экспериментатор и какое явление КВД он хочет исследовать.

В любом случае, и Бор, и Гейзенберг, действовали в одной упряжке, и Бор в конце концов в своей теории объединил принцип относительности Гейзенберга с принципом дополнительности, включив сюда еще и волновую функцию Шредингера именно в интерпретации Борна (об этой вероятностной интерпретации говорилось в первой части). Много позже, лет через 30 после этих событий, эту объединенную теорию назвали "копенгагенской интерпретацией" квантовой механики. С ней и связаны дальнейшие события.

Самое интересное началось, когда на арену событий вышел Эйнштейн, ставший главным оппонентом Бора в вопросе действительного описания реальности. Эйнштейн был противником статистической версии квантовой механики, он не считал ее самосогласованной и полной, и верил, что можно создать теорию, описывающую действительные явления, а не только лишь их вероятности. Пытаясь поставить под сомнение справедливость и принципа неопределенности, и принципа дополнительности, Эйнштейн придумывал все новые и новые мысленные эксперименты...

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Альберт Эйнштейн


Итак, V Сольвеевский конгресс по физике в Брюсселе, осень 1927 года. Вообще, Сольвеевский конгресс проводился с 1911 года с интервалом через каждые 3 года, и на него неизменно съезжались все мастодонты физики: Эйнштейн (он пропускал пару конгрессов из-за несогласия с политикой европейских стран по отношению к ученым побежденной Германии после первой мировой), Резерфорд, Лоренц, Бор, Мария Кюри, Борн, Планк, де Бройль, Дирак, Паули, Шредингер, Гейзенберг и др. Можно понять, что на этих съездах обсуждались новейшие достижения в области физики и каков был уровень этих обсуждений.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Участники V Сольвеевского конгресса (1927 г.)


Так вот, V Сольвеевский конгресс был посвящен как раз квантовой механике, на тот момент новейшей физической теории. Конечно же, выступали и главные создатели этой теории - Гейзенберг (на пару с Борном), Шредингер. И Бор очень ждал реакции Эйнштейна, потому что знал об отношении последнего к этой новой теории. Специальное выступление Бора на конгрессе не планировалось, но после всех выступлений Лоренц, как председатель конгресса, попросил Бора выступить и обобщить основные положения квантовой механики. Бор, конечно же, принялся обрисовывать принципы теории в рамках "копенгагенской интерпретации". Он разъяснял суть принципа дополнительности, разделяя понятия волн и частиц, проявление которых зависит от типа эксперимента; он говорил об отсутствии объективной физической реальности без проведения измерений - ненаблюдаемая частица не существует и бессмысленно спрашивать о ее положении или импульсе; он говорил о неизбежном возмущении частицы в момент проведения измерения ее параметров.

У Эйнштейна был другой взгляд на Природу. Он верил в существование физической реальности, независимой от наблюдателя, он верил в синтез двух концепций света - корпускулярной и волновой. Он понимал, что статистическая интерпретация квантовой механики хорошо объясняет микромир, но он был твердо убежден, что эта теория неполна и что она может являться лишь частью какой-то более глобальной теории, которая будет согласованна на всех уровнях (Эйнштейн до самой смерти пытался разработать такую теорию, - Единую теорию поля, - но так и не смог, или не успел...). После выступления Бора он наконец прервал свое молчание, тянущееся через все дни конгресса, и взял слово. Эйнштейн, как признанный мастер Gedankenexperimenten, которые помогли ему в свое время разработать Теорию относительности, сразу же поставил этот самый мысленный эксперимент, призванный показать противоречивость "копенгагенской интерпретации".

Эйнштейн представил экран с узкой щелью, за экраном - фотопластинка для регистрации электрона. Проходя через щель, электрон дифрагирует из-за ее узости и к фотопластинке направляется уже в виде волны. Согласно Бору, до момента достижения фотопластинки (т.е. по сути до момента наблюдения) существует какая-то вероятность обнаружения электрона в любой точке фотопластинки. Когда электрон обнаруживается в какой-то точке пластинки, вероятность его обнаружения в другой точке сразу становится равной нулю. Теория Бора говорит, что это полное описание того, что происходит с электроном. Но Эйнштейн был с этим не согласен. Почему? Потому что в момент удара электрона о пластинку вероятность обнаружить его в другой точке меняется мгновенно (у "квантовиков" это еще называется - мгновенный коллапс волновой функции), т.е., по сути, со скоростью, превышающей скорость света! Для Эйнштейна такой процесс был недопустимым, ведь согласно одному из положений Специальной теории относительности, существует предельная скорость взаимодействия, и она ограничивается скоростью света. Если достижение электроном фотопластинки является причиной коллапса волновой функции (а в данном случае, согласно Бору, так оно и есть), то причина (достижение электроном фотопластинки) и следствие (коллапс волновой функции) должны быть отделены временным интервалом, обусловленным распространением сигнала от причины до следствия со скоростью света. Это так называемое требование локальности (к нему мы еще вернемся), и Эйнштейн утверждал, что нарушение этого требования и указывает на противоречивость "копенгагенской интерпретации", т.е. квантовая механика неполна.

Но Бора и Гейзенберга это не убедило. Почему? Да, по их теории коллапс волновой функции происходит мгновенно, но ведь в эксперименте идет речь о виртуальной волне вероятности, а не реальной, которая распространяется в нашем пространстве! Теперь Бор пытается парировать атаку Эйнштейна, ссылаясь, по сути, на принцип неопределенности, который Эйнштейн как раз и не учитывал в своем мысленном эксперименте. Оно и понятно - с чего бы это. Бор утверждает, что, поскольку в эксперименте Эйнштейна экран с щелью и фотопластинка были строго определены в пространстве и во времени, то эти предметы должны обладать бесконечной массой - только в этом случае пролет электрона через щель не сопровождается неопределенностью положения. Соответственно импульс электрона неизвестен, и мы навряд ли с какой-нибудь точностью сможем предположить - в каком месте электрон ударится о фотопластинку. Это, по утверждению Бора, вытекает из принципа неопределенности.

Бор рассуждает дальше. По его мнению, более реально предположить, что масса экспериментальной установки конечна. В этом случае во время пролета электрона через щель, экран немного сдвинется. Ясно, что сдвиг будет невообразимо малым, но ведь это мысленный эксперимент, и, значит, мы можем точно определить этот сдвиг с помощью наших совершенных мысленных приборов. Т.к. экран сдвигается, положение электрона в пространстве размывается при пролете через щель, и это приводит к неопределенности его импульса, но в сравнении с опытом Эйнштейна, где массы бесконечны, здесь можно точнее предсказать - в каком месте электрон ударится о фотопластинку. Т.е. принцип неопределенности, по утверждению Бора, дает максимально полное описание отдельного события.

На это Эйнштейн снова нашел контраргумент. Он утверждал, что в момент взаимодействия электрона с экраном действует закон сохранения импульса, где суммарный импульс двух этих тел должен оставаться неизменным. Направление электрона будет противоположным сдвигу экрана. Соответственно, если мы измерим импульс электрона в момент контакта со щелью, то мы сможем определить и положение электрона с точностью, большей, чем позволяет принцип неопределенности.

На основе этого контраргумента Эйнштейн пошел еще дальше и немного модифицировал мысленную экспериментальную установку: между подвижным экраном с одной щелью и фотопластинкой он поместил еще один экран с двумя щелями (на рисунке ниже). По утверждению Эйнштейна, измеряя импульс электрона при прохождении первого экрана, мы сможем сказать, по направлению к какой из двух щелей второго экрана отклонился этот электрон. Далее, зафиксировав, направление сдвига первого экрана и место соударения электрона с фотопластинкой, мы сможем сказать - через какую из двух щелей второго экрана прошел электрон.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Эксперимент Эйнштейна с двумя щелями


Получается, что Эйнштейну вроде как удалось найти способ обойти принцип неопределенности, определив импульс и положение электрона с точностью большей, чем тот позволяет. Кроме того, если в этом эксперименте мы пропускаем через экраны несколько электронов, то на фотопластинке появляется интерференционная картина, и это создает трудности еще и для принципа дополнительности, т.к. здесь в одном эксперименте проявляются и волновые, и корпускулярные свойства электрона.

Как Бор выходил из создавшегося положения? Он заменил первый экран на экран, подвешенный на двух пружинах (на рисунке ниже). Пружины в свою очередь были закреплены на неподвижной рамке. На экран нанесена шкала, а на рамке была установлена стрелка. Установка получилась достаточно чувствительной, чтобы можно было измерить импульс электрона в момент пролета через щель.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Доработка Бором конструкции экрана с одной щелью


Итак, по утверждению Бора, чтобы точно измерить импульс электрона, требуется снять показания шкалы, нанесенной на экран, но для этого шкала должна быть освещена. В этом случае мы зафиксируем положение экрана, но не сможем измерить импульс - при освещении экрана фотоны, ударяясь в экран, передают ему свой импульс, что делает невозможным зафиксировать импульс электрона. С другой стороны, если мы не освещаем экран, то мы имеем неопределенность в измерении смещения экрана. Далее, если мы, наблюдая за траекторией частицы от первого экрана, фиксируем через какое отверстие во втором экране пролетает электрон, то согласно принципу дополнительности, электрон приобретает свойства частицы и интерференционная картина на фотопластинке пропадает (потому что, согласно Бору, мы должны выбирать - или мы отслеживаем траекторию частицу, или мы наблюдаем интерференцию). В итоге, Бору снова удалось отстоять и принцип неопределенности, и принцип дополнительности.

Как видим, здесь основной спор между Эйнштейном и создателями квантовой теории заключался в различии между объектом наблюдения и измерительным прибором. Согласно "копенгагенской интерпретации", объект наблюдения и измерительный прибор очень тесно связаны и разделить их невозможно. Эйнштейн, напротив, полагал, что физическая реальность исследуемого объекта не зависит от того - проводится над ним акт наблюдения, или не проводится. Он существует даже при отсутствии эксперимента (наблюдения, измерения).

Если подвести итоги это раунда противостояния в рамках V Сольвеевского конгресса, то, по мнению его участников, победа осталась за Бором. Ему удалось отстоять основные положения своей теории, хоть и некоторые моменты были все же сомнительны, например, сомнительным кажется то, что при объяснении принципа неопределенности Бор распространял его на экран с щелью. Экран - это ведь объект классической механики, макрообъект. А принцип неопределенности должен затрагивать объекты микромира. Но Бор готов был пойти на все, лишь бы отстоять свою теорию, к тому же, он считал, что в принципе не нужно разделять жестко объекты микромира и макромира, ведь последние состоят из атомов. Ну а Эйнштейн понял, что не так-то просто показать противоречивость новой квантовой теории. Но битва была еще не закончена.

Через 3 года, на VI Сольвеевском конгрессе, схватка продолжилась, несмотря на то, что главной темой этого конгресса были провозглашены магнитные свойства материалов. К этой схватке Эйнштейн подготовился основательно. И если 3 года назад Эйнштейн, по сути, нападал на пару "импульс-положение" соотношений неопределенности, то в этот раз он решил сосредоточиться на паре "энергия-время".

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Участники VI Сольвеевского конгресса (1930 г.)


Итак, Эйнштейн поставил новый мысленный эксперимент, о котором вы, возможно слышали. Представим себе ящик, наполненный светом. В одной из стенок сделано отверстие с заслонкой, которая открывается и закрывается с помощью механизма, связанного с часами внутри ящика. Часы синхронизированы с остальными часами в помещении. Перед тем, как заслонка откроется, взвесим ящик. В определенный момент времени заслонка на мгновение открывается, и за это мгновение вылетает один фотон. Мы точно знаем время, когда вылетел этот фотон. И тут Эйнштейн величаво произнес: а теперь взвесим ящик еще раз. В этот момент Бор понял, что у квантовой механики большие неприятности. Что же понял Бор? А он понял то, что Эйнштейн снова обратился к Специальной теории относительности и вспомнил одно из замечательных ее следствий - масса есть энергия, энергия есть масса - E=mc^2. Взвешивая ящик до и после вылета фотона, Эйнштейн определяет - насколько изменилась масса ящика (это мысленный эксперимент, и поэтому мы легко это можем сделать), с помощью вышеуказанного соотношения переводит эту разницу масс в энергию, тем самым точно определяя энергию вылетевшего фотона!

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Фундаментальный закон Природы


Бор в замешательстве - неужели Эйнштейну удалось измерить и время, и энергию с точностью, большей, чем это допускает принцип неопределенности? Он начал нервничать, потому что никак не мог найти контраргументов, не мог ничего противопоставить этому до гениальности простому эксперименту. Эйнштейн был уверен, что смог показать несамосогласованность квантовой теории, и чувствовал себя победителем. Стоит сказать, что в этот день Бор так ничего и не смог придумать в защиту "копенгагенской интерпретации".

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Эйнштейн и Бор сразу после того, как первый "подарил" второму ящик со светом


Естественно, что ночью Бор не мог спать и тщательно обдумывал эксперимент Эйнштейна, пытаясь найти в нем изъян. Обратив свое внимание на взвешивание ящика со светом, он снова модифицировал экспериментальную установку Эйнштейна. Бор подвесил ящик на пружину, закрепленную на неподвижной рамке (на рисунке ниже). На вертикальную часть рамки он нанес шкалу, а к ящику приделал стрелку. Для того, чтобы стрелка строго показывала ноль, к дну ящика был подвешен грузик, т.е. это было первоначальное состояние ящика со светом до открытия заслонки. После того, как открывается заслонка, вылетает фотон, ящик становится легче и пружина его поднимает. Для того, чтобы узнать потерю массы, нужно вернуть стрелку в ноль, подвесив к дну ящика соответствующий грузик. Далее, для того, чтобы посмотреть на показания шкалы, нужно установку осветить. Как уже говорилось выше, это приведет к неопределенности импульса ящика, и чем тщательнее мы пытаемся измерить положение ящика, устанавливая стрелку в ноль с помощью грузика, тем больше становится неопределенность, связанная с одновременным измерением его импульса.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Доработка Бором ящика со светом


Рассуждая подобным образом, Бора вдруг осенило: Эйнштейн в своем мысленном эксперименте совершил ошибку, причем не просто ошибку, а создавалось впечатление, что он забыл о собственной же Общей теории относительности! В чем заключалась ошибка? Одним из следствий Общей теории относительности было замедление хода времени, обусловленной гравитацией. Согласно ОТО, скорость хода часов зависит от их положения в гравитационном поле: если представить пару синхронизированных часов, расположенных на полу и на потолке, то на полу время течет медленнее, чем на потолке. В данном случае, это невообразимо маленькая разница, в сколько-то миллиард миллиардных секунды, но эта разница есть. Кроме того, часы, просто двигающиеся в гравитационном поле, идут медленнее относительно часов, покоящихся в этом гравитационном поле. Это означает, что взвешивание ящика со светом влияет на ход часов внутри него, потому что, наблюдая за стрелкой, мы меняем положение ящика в гравитационном поле! Эйнштейн не учел влияние гравитации на часы, помещенные внутрь ящика: в процессе взвешивания они уже не будут синхронизированы с часами, расположенными в помещении! Поэтому мы не можем точно определить время открытия заслонки и вылета фотона из ящика.

Когда на следующий день Бор привел свои рассуждения Эйнштейну, последний признал свое поражение. Используя принцип неопределенности, а также ОТО, Бор показал, что нельзя измерить одновременно энергию и время вылета фотона с точностью большей, чем это позволяет принцип неопределенности. Снова Бору удалось отстоять "копенгагенскую интерпретацию" квантовой механики. Эйнштейн признал самосогласованность квантовой теории, но по-прежнему считал, что она неполна.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая


В дальнейшем, размышляя о том, как показать неполноту квантовой теории, Эйнштейн придумал еще один мысленный эксперимент. Спустя 5 лет после VI Сольвеевского конгресса, уже живя в Америке и работая в Принстонском институте перспективных исследований, он начал развивать свою новую идею вместе со своими ассистентами Натаном Розеном и Борисом Подольским. По сравнению с прошлыми мысленными экспериментами, призванными показать противоречивость основных внутренних принципов квантовой теории, в этот раз Эйнштейн решил зайти с другой стороны, сосредоточившись на природе реальности. Эйнштейн в соавторстве со своими ассистентами выпустил статью (впоследствии ее стали называть статьей ЭПР - Эйнштейна-Подольского-Розена), которая строилась на следующем утверждении: если мы можем без какого-либо возмущения системы достоверно предсказать значение некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине. И, по мнению ЭПР, если этот элемент физической реальности имеет отражение в физической теории - это как раз и является необходимым условием полноты теории. Соответственно, если существует элемент физической реальности, который теория не может учесть - то эта теория неполна.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Эйнштейн, Подольский, Розен


За основу своего мысленного эксперимента ЭПР взяли пару импульс-положение электрона. К чему сводилась идея эксперимента? Если мы берем импульс электрона (или положение) и достоверно его предсказываем без возмущения системы, т.е. без прямого измерения, то эта величина является физической реальностью, эта величина существует вне зависимости от наблюдателя. Вы помните, что создатели квантовой теории в рамках "копенгагенской интерпретации" утверждали, что если мы не проводим непосредственное измерение импульса частицы (или его положения), то этой величины попросту не существует, и о ней нет смысла говорить, пока мы не проведем над ней акт измерения (наблюдения).

Итак, рассмотрим две частицы, А и В, которые, взаимодействуя короткое время, удаляются друг от друга в противоположных направлениях. Согласно принципу неопределенности, мы не можем одновременно точно измерить импульс и положение какой-либо из этих частиц, но мы можем точно измерить суммарный импульс этих частиц. Примем, что над одной из частиц, например В, мы не будем проводить прямых измерений, т.е. она будет оставаться невозмущенной. При этом мы производим измерение импульса частицы А. Если нам это удалось, то, исходя из закона сохранения импульса, мы косвенно можем определить импульс частицы В. Значит, согласно вышеуказанному утверждению ЭПР, импульс частицы В является элементом физической реальности. Точно также можно определить положение частицы В, исходя из акта измерения положения частицы А. Соответственно положение частицы В также является элементом физической реальности.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Мысленный эксперимент ЭПР


Что же получается? Мы видим, что ЭПР, кроме того, что смогли найти способ определить импульс либо положение частицы, не производя над ней непосредственное измерение, но также заявили, что раз эти величины являются элементами физической реальности, то частица В имеет одновременно определенные импульс и положение! Но принцип неопределенности такого не допускает, и соответственно квантовая теория не может учитывать (или не может описывать) эти элементы реальности. Следовательно, квантовая теория неполна.

Статья ЭПР оказалась неожиданной для отцов статистической интерпретации квантовой механики, поскольку они были уверены в том, что все атаки на квантовую теорию уже отбиты. И вновь оспорить эту статью взялся сам Бор (хотя до него Гейзенберг хотел опубликовать свое опровержение, но так этого и не сделал). Бор оказался примерно в таком же затруднительном положении, как это было с ящиком со светом. Он не мог найти ошибок и противоречий в рассуждениях ЭПР. И снова мучительные размышления... В конце концов, Бор решил сосредоточиться на критерии физической реальности. Не возражая против полученных ЭПР результатов измерений величин частицы В, он заявил, что тем не менее, полученный результат не означает, что импульс (или положение) частицы В является независимым элементом реальности. Частица обладает импульсом (т.е. импульс становится реальным) только тогда, когда мы производим акт измерения импульса с помощью прибора для измерения импульса. До проведения акта измерения бессмысленно говорить о положении и импульсе - их попросту не существует.

Что получается? Мы видим, что главным при определении элемента физической реальности Бор считал измерительный прибор. Но тогда, если вы выбираете прибор для измерения, допустим, импульса частицы А (а потом исходя из результатов косвенно определяете импульс частицы В), то при этом измерении вы вносите неопределенность в определение положения этой частицы, и следовательно, у вас нет возможности косвенно определить положение частицы В! Т.е., даже не возмущая частицу В, мы не можем одновременно точно знать ее импульс и положение. Элемент физической реальности частицы В определяется исходя из характера измерительного прибора, применяемого для измерения частицы А.

ЭПР утверждали, что, поскольку импульс частицы В - это элемент физической реальности, измерение импульса частицы А повлиять на него не может. Согласно критерию реальности ЭПР, отсутствие между частицами какого-то реального физического взаимодействия делает невозможным возмущение одной частицы, если что-то происходит со второй. Бор же утверждал, что если частицы, перед тем как разлететься, когда-то взаимодействовали, они связаны друг с другом в одну систему и не могут рассматриваться как две отдельные частицы. Поэтому, если мы измеряем импульс (или положение) частицы А, это равносильно тому, что мы осуществляем прямое измерение импульса (или положения) частицы В. Следовательно, рассуждал Бор, это означает возможность мгновенного действия на расстоянии. Однако, это нарушает два основных принципа, которые ЭПР формулировали в своем мысленном эксперименте: 1. Принцип локальности - измерение частицы А не может мгновенно повлиять на частицу В; 2. Принцип сепарабельности - частицы А и В являются двумя разными системами. Поэтому Эйнштейн не мог принять аргументацию Бора, поскольку считал невозможным какое-то мистическое взаимодействие между частицами на расстоянии.

Но, тем не менее, большинство физиков пришли к выводу, что статья ЭПР недостаточно красноречива для того, чтобы действительно показать неполноту квантовой теории, и снова посчитали, что Бору и на этот раз удалось отстоять "копенгагенскую интерпретацию". Однако была предпринята еще одна попытка показать неполноту и парадоксальность квантовой механики. Дело в том, что после публикации статьи ЭПР завязалась переписка Эйнштейна со Шредингером. Шредингер давал понять, что он полностью поддерживает аргументацию Эйнштейна. И, хотя он был согласен с Бором в том, что после взаимодействия уже нет двух разных систем, а есть одна система, состоящая из двух частиц, но, тем не менее, он был уверен в том, что акт измерения любой из этих частиц разрушает систему и частицы снова становятся независимыми друг от друга. Эйнштейн же, в свою очередь, повторно пытался донести до Шредингера основную суть статьи ЭПР, заключающуюся в том, как нужно описывать физическую реальность, и в том, что принципы локальности и сепарабельности должны отражать реальную физику, и поскольку в квантовой теории эти принципы нарушаются, то квантово-механическое описание Природы не является полным, а скорее парадоксальным. Результатом переписки двух ученых стала публикация Шредингером статьи (которую он не знал как назвать), и в этой статье была часть, связанная с некоим котом. Вы, наверно, уже поняли, что речь идет о знаменитом парадоксе - коте Шредингера. В чем же заключался этот парадокс и что он был призван показать?

В небольшое помещение поместим кота и некую конструкцию в виде счетчика Гейгера и помещенного в него кусочка радиоактивного вещества. При этом нужно принять меры, чтобы кот не взаимодействовал с этим устройством. С равной вероятностью, за час может произойти распад одного атома радиоактивного вещества, а может и не произойти. Если распад происходит, трубка счетчика Гейгера разряжается и приводит в действие молоток, который разбивает ампулу с цианистоводородной кислотой, при этом кот будет отравлен. Если распада не происходит, то кот останется жив. Т.е. он будет жив или мертв в зависимости от того - произошел радиоактивный распад или нет. Это нам подсказывает здравый смысл. Но, согласно "копенгагенской интерпретации" квантовой теории, только акт измерения определяет - произошел распад или нет, и жив ли кот или мертв. Вот и получается, что мы сможем сказать, жив кот или мертв, только тогда, когда через час заглянем в помещение. А до измерения (до того, как заглянем в помещение), кот пребывает в так называемой суперпозиции состояний, т.е. он и жив и мертв одновременно. В волновую функцию системы входит и живой и мертвый кот, пока не произойдет ее коллапса.

Достижения теоретической и экспериментальной физики: квантовая механика - часть вторая

Кот Шредингера


Когда Эйнштейн прочитал эту статью, он очень обрадовался и написал Шредингеру, что мнения их обоих по поводу состояния квантовой теории и несостоятельности ее интерпретации полностью сходятся, и что парадокс с котом это показывает в полной мере. Кстати, когда через год Шредингер случайно встретился с Бором, Бор назвал преступным то, что Шредингер использовал парадоксальную ситуацию с котом, для того, чтобы указать на противоречивость квантовой механики. Ведь, по мнению Бора, принципы квантовая теория очевидны и хорошо согласуются с экспериментом. Но как бы то ни было, ни Эйнштейн, ни Шредингер так и не изменили своего отношения к "копенгагенской интерпретации".

Вот такие события происходили на этапе развития и становления квантовой механики. Эйнштейн, так ни разу вроде бы и не выигравший ни одну схватку, тем не менее своими сомнениями и своей убежденностью в неполноте квантовой механики дал повод другим ученым думать над справедливостью "копенгагенской интерпретации", придумывать новые интерпретации. Следствием всего этого стало развитие новых областей в рамках квантовой физике, например, квантовая криптография, квантовый компьютер. Об этом слышали все. А в конце 20 века физикам удалось то, что назвали квантовой телепортацией - они сумели осуществить передачу квантового состояния частицы другой частице. Это не физическое перемещение, но это считается телепортацией. Кроме того, с помощью квантовой теории было понято строение проводников электрического тока, диэлектриков, проводников, кристаллов. С помощью квантовой теории удалось создать лазеры - это источник света с очень узким и интенсивным пучком строго определенной частоты и длины волны. Далее, на основе квантовой теории была построена теория атомного ядра и ядерных превращений. Например, явление альфа-распада было объяснено именно с помощью квантовой теории. Также, с помощью квантовой теории учеными было предсказано существование античастиц, и в дальнейшем была обнаружена первая из них - это позитрон.

Вы видите, какой огромный вклад в развитие науки привнесла квантовая механика. На данный момент она является основой для понимания процессов, происходящих в микромире. И, наверное, на протяжении всей истории физики не происходило такой ожесточенной борьбы, как борьба за интерпретацию принципов и положений квантовой механики.

0 не понравился
12 понравился пост
 
Незарегистрированные посетители не могут оценивать посты
 
 
 
 

 
 
 
 

Информация

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Оставлять свои CRAZY комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Пожалуйста пройдите простую процедуру регистрации или авторизируйтесь под своим логином. Также вы можете войти на сайт, используя существующий профиль в социальных сетях (Вконтакте, Одноклассники, Facebook, Twitter и другие)

 
 
 
 
 
Наверх